SE456202B - REVERSIBLE BATTERY CELL WITH PRESSURE LOADED LITHIUM ANOD - Google Patents
REVERSIBLE BATTERY CELL WITH PRESSURE LOADED LITHIUM ANODInfo
- Publication number
- SE456202B SE456202B SE8204620A SE8204620A SE456202B SE 456202 B SE456202 B SE 456202B SE 8204620 A SE8204620 A SE 8204620A SE 8204620 A SE8204620 A SE 8204620A SE 456202 B SE456202 B SE 456202B
- Authority
- SE
- Sweden
- Prior art keywords
- cathode
- anode
- battery cell
- coating
- reversible
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/04—Construction or manufacture in general
- H01M10/0413—Large-sized flat cells or batteries for motive or stationary systems with plate-like electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/04—Construction or manufacture in general
- H01M10/0468—Compression means for stacks of electrodes and separators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Description
20 25 30 35 456 202 Exempelvis har ett batteri med fristående (icke tryckbelastade) litiumelektroder ett maximum av mel- lan ca l,6 - 2,5 omsättningsförlopp vid användning av elektrolyter, som består av l M LiAsF5 eller l M LiCl04 i propylenkarbonat. Det vore i hög grad önskvärt att kunna öka reversibiliteten hos dylika elektroder och batterier. 20 25 30 35 456 202 For example, a battery with free-standing (non-pressure-loaded) lithium electrodes has a maximum of between about 1.6 - 2.5 conversion cycles when using electrolytes, which consist of 1 M LiAsF5 or 1 M LiClO4 in propylene carbonate. It would be highly desirable to be able to increase the reversibility of such electrodes and batteries.
Det har visat sig att i enlighet med föreliggan- de uppfinning kan en betydande ökning i antalet om- sättningsförlopp uppnås för elektroder, som bildar porösa, utvändigt amalgamerade beläggningar därpå.It has been found that in accordance with the present invention, a significant increase in the number of conversion processes can be achieved for electrodes which form porous, externally amalgamated coatings thereon.
Enligt föreliggande uppfinning âstadkommes en rever- sibel battericell, vilken kännetecknas av en katod och en anod, som innefattar ett litiummetallsubstrat, en vattenfri elektrolyt och en anordning för kontinu- erligt anbringande av en tryckbelastning på åtminsto- ne 340 kPa på anoden under både uppladdning och ur- laddning av battericellen, varvid tryckbelastningen förhindrar bildandet av en porös beläggning av-yttre, oregelbundet orienterade legerade korn när litiumme- tallen belägges på litiummetallsubstratet hos anoden, varigenom âstadkommes en väsentligen icke porös be- läggningsuppbyggnad, vilken ger anoden en förbättrad reversibilitet.According to the present invention there is provided a reversible battery cell which is characterized by a cathode and an anode comprising a lithium metal substrate, an anhydrous electrolyte and a device for continuously applying a pressure load of at least 340 kPa to the anode during both charging and discharging the battery cell, the pressure load preventing the formation of a porous coating of outer, irregularly oriented alloy grains when the lithium metal is coated on the lithium metal substrate of the anode, thereby providing a substantially non-porous coating structure, which gives the anode improved reversibility.
Föreliggande uppfinning anvisar också ett sätt för tillverkning av ett batteri och ett sätt för an- vändning av ett batteri för att öka dess reversibili- tet genom ökning av antalet möjliga omsättningsför- lopp inne i en elektrod hos cellen. Sättet att till- verka batteriet innefattar átgärderna att konstruera en elektrolytisk cell med en katod, en anod och en elektrolyt, varvid nämnda anod bildar en dylik porös, utvändig, amalgamerad beläggning på elektroden. En tryckbelastning anbringas på en dylik anod så som be- skrives ovan. Elektroden utgöres, som nämnts ovan, företrädesvis av en alkalimetallanod, t ex en litium- anod, och tryckbelastningen anbringas företrädes- 10 15 20 25 30 35 3 456 202 vis på elektroden kontinuerligt under såväl urladdning som upp- laddning.The present invention also provides a method of manufacturing a battery and a method of using a battery to increase its reversibility by increasing the number of possible conversion processes within an electrode of the cell. The method of manufacturing the battery comprises the steps of constructing an electrolytic cell with a cathode, an anode and an electrolyte, said anode forming such a porous, external, amalgamated coating on the electrode. A compressive load is applied to such an anode as described above. As mentioned above, the electrode is preferably an alkali metal anode, for example a lithium anode, and the pressure load is preferably applied to the electrode continuously during both discharge and charging.
Elektrodapparat, batteri och sätt enligt föreliggande upp- finning erbjuder ett antal specifika fördelar. Anbringning av tryckbelastningen medför att partiklarna eller kornen hos den amalgamerade beläggningen på elektroden bringas tätare intill varandra. Som behandlas utförligare i det följande kan detta också medföra en minskning av det elektriska motståndet mellan kornen och medföra en ökad motståndsförmäga mot metalljonmigre- ring genom den porösa beläggningen från kornen ifråga. Genom föreliggande uppfinning underlättas sålunda avtäring av metall frán elektrodens ytteryta (dvs från beläggningens frontyta).Electrode apparatus, battery and method according to the present invention offer a number of specific advantages. Applying the compressive load causes the particles or grains of the amalgamated coating on the electrode to be brought closer together. As discussed in more detail below, this can also lead to a reduction in the electrical resistance between the grains and lead to an increased resistance to metal ion migration through the porous coating from the grains in question. Thus, the present invention facilitates erosion of metal from the outer surface of the electrode (ie, from the front surface of the coating).
Vid en utföringsform enligt uppfinningen innefattar den elektrolytiska cellen (batteriet) minst en katod, en alkalime- tallanod, minst ett Separeringsorgan anbragt mellan anod och katod, en icke vattenbaserad elektrolyt och organ för att anbringa en tryckbelastning, som överstiger tryckhållfastheten hos den amal- gamerade beläggningen på anoden, dvs tryckbelastningen skall vara sådan att den deformerar beläggningen för att bringa kornen i beläggningen tätare intill varandra och minska beläggningens porositet och minska det elektriska motståndet mellan kornen i beläggningen. Företrädesvis överstiger belastningen tryckhåll- fastheten hos det substrat, som överdrages med beläggningen, dvs tryckbelastningen är tillräckligt stor för att fysiskt de- formera substratet. Som angivits ovan, underlättar detta avtä- ring av alkalimetall från de elektrolytiska alkalimetallkornen vid framsidan av den amalgamerade beläggningen (mellan anoden och skiljeskiktet), med det resultatet, att batteriets reversi- bilitet ökas i avsevärd grad. Sätt för tillverkning av batte- riet enligt föreliggande uppfinning är också beskrivna.In an embodiment according to the invention, the electrolytic cell (battery) comprises at least one cathode, an alkali metal anode, at least one separating means arranged between anode and cathode, a non-aqueous electrolyte and means for applying a compressive load which exceeds the compressive strength of the amalamated the coating on the anode, i.e. the compressive load should be such that it deforms the coating to bring the grains in the coating closer together and reduce the porosity of the coating and reduce the electrical resistance between the grains in the coating. Preferably, the load exceeds the compressive strength of the substrate coated with the coating, i.e. the compressive load is large enough to physically deform the substrate. As stated above, this facilitates erosion of alkali metal from the electrolytic alkali metal grains at the front of the amalgamated coating (between the anode and the separating layer), with the result that the reversibility of the battery is considerably increased. Methods of manufacturing the battery of the present invention are also described.
Föreliggande uppfinning medför särskilt fördelaktiga resul- tat med litiumelektroder. Vid ett kritiskt tryck över vilket litiumelektroden deformeras, erhålles en morfologi hos överdra- get som är drastiskt annorlunda jämfört med det som bildas vid lågt tryck. De beläggningar som erhålles i överdraget med litium 10 15 20 IX) 'JT 30 35 456 202 vid lågt tryck är av en mycket porös natur, vilket framgår vid undersökning i elektronmikroskop, varvid kornen förekommer i form av lösa fjäll eller tunna sammanbundna skifiërliknande korn.The present invention provides particularly advantageous results with lithium electrodes. At a critical pressure over which the lithium electrode is deformed, a morphology of the coating is obtained which is drastically different from that formed at low pressure. The coatings obtained in the coating with lithium at low pressure are of a very porous nature, as evidenced by examination under an electron microscope, the grains being in the form of loose scales or thin bonded ski-like grains.
Den överdragsbeläggning som erhålles över det kritiska trycket är av väsentligen icke porös natur. Kornen är av regelrätt pe- larform med sina axlar inriktade vinkelrätt mot substratets yta.The coating coating obtained over the critical pressure is of a substantially non-porous nature. The grains are of regular pillar shape with their axes aligned perpendicular to the surface of the substrate.
Pelarna är tätt hoppackade med avseende på varandra så att pe- larnas ändar bildar en icke porös, jämn yta parallell med sub- stratets yta. Denna typ av beläggning kan upprätthållas under många varandra efterföljmuæupplösnings- och överdragningscykler (urladdning och laddning). Det har i speciella fall, där trycket varierar över litiumelektroden, visat sig att en skarp gräns förekommer mellan porös beläggningstyp och den jämna, pelar- formiga typen av beläggning. Detta visar att överdragsmorfolo- gin är starkt beroende av trycket i närheten av det kritiska trycket.The pillars are tightly packed with respect to each other so that the ends of the pillars form a non-porous, smooth surface parallel to the surface of the substrate. This type of coating can be maintained for many successive dissolution and coating cycles (discharge and charge). In special cases, where the pressure varies across the lithium electrode, it has been found that a sharp boundary exists between the porous coating type and the even, columnar type of coating. This shows that the coating morphology is strongly dependent on the pressure in the vicinity of the critical pressure.
Enligt en annan föredragen utföringsform är katoden av ett slag som medför en jämn strömtäthet, t ex en MoS2-katod, och anoden utgöres av en alkalimetall, som invändigt uppvisar ett alkalimetallsubstrat och en yttre amalgamerad beläggning inne- fattande elektrolytiska alkalimetallkorn, med individuëlla passi- veringsskikt (företrädesvis bildade genom förnyad överdragning av alkalimetall på anoden). Vid en föredragen utföringsform av detta slag utgöres katoden av en övergängsmetallkalkogenid, innehållande LiXMoS2 och anoden utgöres av litium. Företrädes- vis är det LiXMoS2 katodaktiva materialet förbehandlat för att arbeta i “Fas II" såsom beskrives i US 4 224 390 till vars be- skrivning härmed hänvisas.According to another preferred embodiment, the cathode is of a type which results in an even current density, for example a MoS2 cathode, and the anode consists of an alkali metal, which internally has an alkali metal substrate and an outer amalgamated coating comprising electrolytic alkali metal alloy grains. coating layers (preferably formed by re-coating alkali metal on the anode). In a preferred embodiment of this kind, the cathode is a transition metal calcogenide, containing LiXMoS2 and the anode is lithium. Preferably, the LiXMoS2 cathodic active material is pretreated to operate in "Phase II" as described in US 4,224,390, the disclosure of which is hereby incorporated by reference.
För full förståelse av uppfinningen, skall den i det föl- jande beskrivas under hänvisning till bifogade ritningar pà vil- ka Fig 1 schematiskt visar ett batteri i enlighet med uppfin- ningen, Fig 2 schematiskt visar ett spiralbatteri i enlighet med uppfinningen, .sv-zu 10 15 20 25 30 35 5 456 202 Fíg 3 schematiskt illustrerar lindningsoperationen för spiralbatteriet.For a full understanding of the invention, it will be described in the following with reference to the accompanying drawings, in which Fig. 1 schematically shows a battery in accordance with the invention, Fig. 2 schematically shows a spiral battery in accordance with the invention, zu 10 15 20 25 30 35 5 456 202 Fig. 3 schematically illustrates the winding operation of the spiral battery.
Vissa elektrodmaterial såsom alkalimetaller, t ex litium, är termodynamiskt instabila i närvaro av metalljonledande elekt- rolyter, som befinner sig i vätskeform vid omgivningens tempe- ratur. Vattenbaserade elektrolyter reagerar t ex våldsamt med alkalimetaller för att bilda alkalihydroxider och vätgas. Denna reaktion är ofta så våldsam att den kan sägas ske explosionsar- tat. Vissa elektrolyter reagerar emellertid mindre våldsamt med elektrodmetaller under bildning av kinetiskt stabila passivise- ringsfilmer på ytan av metallelektroden. Dessa sistnämnda elekt- rolyter kan användas för konstruktion av praktiska celler där metallelektroder användes.Some electrode materials such as alkali metals, such as lithium, are thermodynamically unstable in the presence of metal ion conducting electrolytes, which are in liquid form at ambient temperature. Aqueous electrolytes, for example, react violently with alkali metals to form alkali hydroxides and hydrogen gas. This reaction is often so violent that it can be said to be explosive. However, some electrolytes react less violently with electrode metals to form kinetically stable passivation films on the surface of the metal electrode. These latter electrolytes can be used for the construction of practical cells where metal electrodes are used.
Efter cykelgenomgäng med en dylik metallisk elektrolytisk cell blir t ex två delar av elektroden fysiskt isolerbara. Des- sa delar utgöres av (1) ett centralt, väsentligen icke- poröst metallsubstrat med en passiviseringsfilm och (2) en porös, över- dragen, amalgamerad beläggning av elektrolytiskt aktiva metall- korn, varvid varje korn har en passiviseringsfilm.After cycling through with such a metallic electrolytic cell, for example, two parts of the electrode become physically isolable. These parts consist of (1) a central, substantially non-porous metal substrate with a passivation film and (2) a porous, coated, amalgamated coating of electrolytically active metal grains, each grain having a passivation film.
Så snart en sådan metallelektrod utsättes för inverkan av en elektrolyt, kommer en kemisk reaktion att börja uppträda.As soon as such a metal electrode is exposed to the action of an electrolyte, a chemical reaction will begin to occur.
Elektrolytens reaktion med metallen alstrar en passiviserings- film på metallens yta. Denna passiviseringsfilm är väsentligen icke porös, men likväl jonpermeabel. Filmen tenderar att isole- ra metallkornen elektrokemiskt. Den önskade elektriska lednings- förmågan för filmen på kornen balanserar mellan en ökning av graden av passiviseringsreaktion genom för hög ledningsförmága och minskning av den elektrokemiska aktiviteten hos kornen ge- nom för låg ledningsförmåga. Under det att en lag ledningsför- måga reducerar reaktionsgraden hos elektrolyt och metall, ökar den låga ledningsförmâgæiavtäringen av metall från substratet i stället för frän kornens inre (till följd av det höga kon- taktmotständet mellan kornen).The reaction of the electrolyte with the metal produces a passivation film on the surface of the metal. This passivation film is essentially non-porous, yet ion permeable. The film tends to isolate the metal grains electrochemically. The desired electrical conductivity of the film on the grains balances between an increase in the degree of passivation reaction due to too high conductivity and a decrease in the electrochemical activity of the grains due to too low conductivity. While a low conductivity reduces the reactivity of electrolyte and metal, the low conductivity erosion of metal from the substrate instead of from the inside of the grains increases (due to the high contact resistance between the grains).
För att uppnå ett högt antal omsättningsförlopp (T) och för att minimera metallelektrodens ytarea (så att reaktionen 10 15 20 25 30 35 456 202 6 med elektrolyten för bildning av ytterligare passiviserad me- tall minimeras), är det fördelaktigt att avtäring av elektro- lytiskt aktiv metall företrädesvis inträffar på framsidan (utsidan) av beläggningen i stället för inne i densamma eller vid ytan av det underliggande icke porösa substratet. Om avtä- ring ej äger rum på framsidan (utsidan) under det att under- liggande delar av substratet avtäres, förlorar framsidan fy- sisk kontakt med resten av beläggningen och substratet. Till följd härav blir framsidan elektrokemiskt inaktiv. Tryckbelast- ning av elektroden över beläggningens tryckhâllfasthet (dvs för att deformera beläggningen i syfte att sammanföra kornen i beläggningen) gör det möjligt att företrädesvis avtära fram- sidan. I Tre faktorer kan bidraga till motståndet mot avtäring av de olika delarna hos elektroden under batteriets användning.In order to achieve a high number of reaction processes (T) and to minimize the surface area of the metal electrode (so that the reaction with the electrolyte to form further passivated metal is minimized), it is advantageous that erosion of the electrode lytically active metal preferably occurs on the front (outside) of the coating rather than inside it or at the surface of the underlying non-porous substrate. If sealing does not take place on the front (outside) while the underlying parts of the substrate are being sealed, the front loses physical contact with the rest of the coating and the substrate. As a result, the front becomes electrochemically inactive. Compression load of the electrode over the compressive strength of the coating (ie to deform the coating in order to bring the grains together in the coating) makes it possible to preferably wipe off the front. I Three factors can contribute to the resistance to erosion of the various parts of the electrode during battery use.
Dessa motstàndsfaktorer är: (l) det elektriska motståndet mellan ifrågavarande korn (hos beläggningen) och strömsamlaren; (2) jonmotstândet som är förknippat med migrering av me- talljoner genom den porösa beläggningen från ifrågavarande korn; och ' (3) det motstånd som är förbundet med avtäring från en me- talljon från ett korn och transport av jonen genom en passivi- serande film.These resistance factors are: (l) the electrical resistance between the grain in question (of the coating) and the current collector; (2) the ionic resistance associated with the migration of metal ions through the porous coating of the grains in question; and '(3) the resistance associated with the erosion of a metal ion from a grain and the transport of the ion through a passivating film.
Med avseende på faktor (1) är det elektriska motståndet normalt högst för de korn som befinner sig närmast framsidan av beläggningen. I själva verket är det rimligt att antaga, att det elektriska motståndet är väsentligen noll för korn som ligger vid substratet: yta. Med avseende på faktorn (2) är det joniska motståndet störst för substratet och minskar för korn som ligger närmare beläggningens framsida. Jonmotståndet är lägst vid beläggningens framsida där diffusionsbanan för joner för att nå fram till aktiva korn är kortast, och är störst vid substratet, till vilket diffusionsbanan är längst. Slutligen, med avseende på faktorn (3), styres passiviseringsfilmens mot- 10 15 20 25 30 35 7 . 456 202 stånd av den kemiska arten hos passiviseringsfilmen och kan ej väsentligen ändras genom att ändra de fysiska parametrarna hos beläggningen. I Genom att anbringa en tryckbelastning på ytan av den amal- gamerade beläggningen (företrädesvis vinkelrätt mot beläggningen), vilken tryckbelastning överstiger tryckhállfastheten hos belägg- ningen sasom förklarats i det föregående, uppnås en tváfaldig effekt. För det första minskas beläggningens porositet genom att kornen förflyttas närmare varandra när beläggningen kompri- meras. Minskningen av porositeten resulterar i en ökning av jonmotståndet mot avtäring i högre grad för substratet än vad som är fallet för framsidan. Samtidigt minskas det elektriska motståndet mellan kornen hos beläggningen, eftersom kontaktytan mellan intilliggande korn ökar. Nettoresultatet av kompressio- nen är sålunda en ökning av summan av de tre motståndsfaktorer- na i närheten av substratet och en minskning av summan av dessa motståndsfaktorer för korn som befinner sig nära beläggningens framsida, varigenom den önskade effekten om en ökning av batte- riets reversibilitet uppnås. (Framsidan identifieras också lämp- ligen som gränsytan mellan elektroden och S@PäY2fïfi9S0F9öfi@t).Tryfik- belastningen resulterar således i en jämn, icke porös yta, som erbjuder god elektromotorisk aktivitet för elektroden och med- ger avtäring av elektroden från dess ytteryta.With respect to factor (1), the electrical resistance is normally highest for the grains closest to the front of the coating. In fact, it is reasonable to assume that the electrical resistance is substantially zero for grains lying at the substrate: surface. With respect to factor (2), the ionic resistance is greatest for the substrate and decreases for grains that are closer to the front of the coating. The ionic resistance is lowest at the front of the coating where the diffusion path for ions to reach active grains is shortest, and is greatest at the substrate, to which the diffusion path is longest. Finally, with respect to the factor (3), the counter of the passivation film is controlled 10 15 20 25 30 35 7. 456 202 state of the chemical nature of the passivation film and cannot be substantially changed by changing the physical parameters of the coating. By applying a compressive load to the surface of the amalamated coating (preferably perpendicular to the coating), which compressive load exceeds the compressive strength of the coating as explained above, a double effect is obtained. First, the porosity of the coating is reduced by moving the grains closer to each other when the coating is compressed. The decrease in porosity results in an increase in the ion resistance to erosion to a greater degree for the substrate than is the case for the front. At the same time, the electrical resistance between the grains of the coating is reduced, as the contact area between adjacent grains increases. The net result of the compression is thus an increase in the sum of the three resistance factors in the vicinity of the substrate and a decrease in the sum of these resistance factors for grains located near the front of the coating, whereby the desired effect of an increase in the reversibility of the battery achieved. (The front is also conveniently identified as the interface between the electrode and S @ PäY2fï fi9 S0F9ö fi @ t).
Föreliggande uppfinning kan användas med vilket som helst batteri som utnyttjar en elektrod, som skall reagera med elekt- rolyten för att bilda en amalgamerad, porös beläggning på elekt- roden, i synnerhet under uppladdning. Exempelvis bildar anod- material såsom alkalimetaller, alkaliska jordmetaller och över- gångsmetaller såsom zink, beläggningar på metallen genom reak- tion med vissa elektrolyter. Sålunda bildar alkalimetaller t ex litium, i närvaro av en icke vattenbaserad elektrolyt såsom propylenkarbonat innefattande LiCl04-en saltbeläggning på alka- limetallen och på de alkalimetallkorn som avsättes under upp- laddning (áterbeläggning).The present invention can be used with any battery utilizing an electrode which is to react with the electrolyte to form an amalgamated, porous coating on the electrode, particularly during charging. For example, anode materials such as alkali metals, alkaline earth metals and transition metals such as zinc form coatings on the metal by reaction with certain electrolytes. Thus, for example, alkali metals form lithium in the presence of a non-aqueous electrolyte such as propylene carbonate comprising LiClO
Tryckbelastningen är, såsom förklarats i det föregående, 10 15 20 25 30 35 456 202 § ß W sådan, att den kommer att deformera beläggningen genom att komp- rimerê Pärtiklar eller korn hos beläggningen så att de bringas tätare tillsammans. Följaktligen varierar den tryckbelastning > som enligt föreliggande uppfinning skall användas beroende på karaktären hos elektrod, elèktrolyt och beläggning. En mjukare metall erfordrar en lägre tryckbelastning. Exempelvis är den tryckbelastning, under vars inverkan alkalimetaller deformeras, typiskt låg, och alla alkalimetaller mjuka och formbara, t ex är draghållfastheten hos litium av storleksordningen 60 - 80 psi.The compressive load is, as explained above, § 15 ß W such that it will deform the coating by compressing particles or grains of the coating so that they are brought closer together. Accordingly, the compressive load to be used according to the present invention varies depending on the nature of the electrode, electrolyte and coating. A softer metal requires a lower compressive load. For example, the compressive load under which alkali metals are deformed is typically low, and all alkali metals are soft and malleable, for example, the tensile strength of lithium is of the order of 60-80 psi.
Mot bakgrund av att beläggningen är en porös metallbeläggning, i vilken hålrummen,fylles med flytande elektrolyt, är kompres- sionshållfastheten (dvs den kraft, vid vilken materialet defor- meras under tryck) mindre eller lika med den för ren metall.In view of the fact that the coating is a porous metal coating, in which the cavities are filled with liquid electrolyte, the compressive strength (ie the force at which the material is deformed under pressure) is less or equal to that of pure metal.
Tryckbelastningen behöver ej nödvändigtvis anbringas kon- tinuerligt under uppladdning och urladdning. Anbringning av tryckbelastning för att komprimera beläggning kan i själva ver- ket vara av kort varaktighet, t ex genom att anbringa en tryck- belastning under en tidsperiod vid slutet av uppladdningscykeln eller t o m anbringning av tryckbelastningen efter uppladdning och före ytterligare användning. Tryckbelastningen anbringas emellertid företrädesvis kontinuerligt åtminstone under uppladd- ning.The pressure load does not necessarily have to be applied continuously during charging and discharging. Application of compressive load to compress coating can in fact be of short duration, for example by applying a compressive load for a period of time at the end of the charging cycle or even applying the compressive load after charging and before further use. However, the compressive load is preferably applied continuously at least during charging.
Vid litium anbringas tryckbelastningen företrädesvis från omkring 50 till ca 500 psi kontinuerligt under uppladdningsför- loppet. Som nämnts ovan resulterar en dylik tryckbelastning på litiumelektroden under uppladdning (t ex litium med ett lämpligt substrat) i att elektroden överdrages med materialkorn i pelar- form med axlarna väsentligen vinkelräta mot substratet.In the case of lithium, the pressure load is preferably applied from about 50 to about 500 psi continuously during the charging process. As mentioned above, such a pressure load on the lithium electrode during charging (eg lithium with a suitable substrate) results in the electrode being coated with material grains in column form with the shafts substantially perpendicular to the substrate.
Att anbringa en tryckbelastning på elektroden belastar de material, av vilka hela cellen är konstruerad. Cellens kompo- nenter är företrädesvis mjuka och böjliga, så att lasten kan anbringas jämnt fördelad. Användning av expanderat metallgitter som strömsamlare samt hårda, korniga pulver som elektrodaktiva material är ej tillrådligt. Materialet i Separeringsorganet bör också vara böjligt. Lämpligen användes metalliska folier 10 15 20 25 30 35 9 456 202 som strömsamlare och mjuka material, såsom grafit eller molybden- suifid (övergangsmetaiikataaar av kaikagenia katadamv typ) användes i katoden. Om möjligt_]ämnar katoden en jämn strömtät- het för att säkerställa likformigt utnyttjande av substratet.Applying a pressure load to the electrode loads the materials from which the entire cell is constructed. The components of the cell are preferably soft and flexible, so that the load can be applied evenly distributed. The use of expanded metal gratings as current collectors and hard, granular powders as electroactive materials is not advisable. The material of the Separator should also be flexible. Suitably metallic foils are used as current collectors and soft materials such as graphite or molybdenum sulfide (transition metals of caikagenia catadam type) are used in the cathode. If possible, the cathode is intended to have an even current density to ensure uniform utilization of the substrate.
Polypropylen eller andra lämpliga flexibla, porösa eller semi- permeabla separeringsorgan föredrages.Polypropylene or other suitable flexible, porous or semi-permeable separating means are preferred.
Som visas i Fig 1 kan de medel som användes för att anbringa tryckbelastningen utgöras av en enkel spiralfjäder 10, som upp- stödes av en tryckplát 12 anordnad upptill i batteriet. Själv- fallet kan andra lämpliga tryckorgan användas. Fig 2 visar ett spiralbatterifvid vilket ett elastiskt separeringsorgan och en C-klanuna 10a är tillräcklig för att åstadkomma den önskade minskningen ' av porositeten i beläggningen och den önskade minskningen med avseende på elektriskt motstånd mellan kornen i beläggningen.As shown in Fig. 1, the means used to apply the compressive load may consist of a simple coil spring 10, which is supported by a compression plate 12 arranged at the top of the battery. Of course, other suitable pressure means can be used. Fig. 2 shows a coil battery in which an elastic separating means and a C-clanuna 10a are sufficient to achieve the desired reduction of the porosity in the coating and the desired reduction with respect to electrical resistance between the grains in the coating.
Som vidare framgår av Fig 1 innefattar den elektrolytiska cellen (batteriet) en anod 14 (med en motsvarande strömavtagare) anordnad i skikt mellan tvâ katoder 16 (med motsvarande strömav- tagare). Med elektrolyt mättade separeringsorgan 18 isolerar ano den 14 från katoderna 16 och är bärare av den för cellen av- sedda elektrolyten i sina porer. Anoden, katoderna och separe- ringsorganen bildar en följd, som är elektrokemiskt aktiv för att alstra ström. Anoden har en sådan sammansättning; att.en porös, amalgamerad beläggning bildas på densamma såsom behand- lats i det föregående. Inplacerad i ett hölje 20 utsättes cel- len för kompression såsom redan beskrivits. Höljet 20 är före- trädesvis hermetiskt tillslutet i en icke-reaktiv. atmosfär.As further shown in Fig. 1, the electrolytic cell (battery) comprises an anode 14 (with a corresponding pantograph) arranged in layers between two cathodes 16 (with a corresponding pantograph). Electrolyte-saturated separating means 18 insulate the ano 14 from the cathodes 16 and are carriers of the electrolyte intended for the cell in their pores. The anode, the cathodes and the separating means form a sequence which is electrochemically active to generate current. The anode has such a composition; that a porous, amalgamated coating is formed thereon as discussed above. Placed in a housing 20, the cell is subjected to compression as already described. The housing 20 is preferably hermetically sealed in a non-reactive. atmosphere.
Som illustreras i Fig 3 utnyttjar man vid tillverkning av en spiralcell (batteri) elasticiteten hos tvâ separeringsskikt 18-18, det ena mellan anoden 14 och katoden 16 och det andra på utsidan, för att åstadkomma en radiell tryckbelastning pá den avsedda elektroden, dvs antingen anoden 14 eller katoden 16, genom att linda lagerna tätt i en slinga runt en ledare. Tryck- spänningen på separeringsskikten upprätthâlles medelst C-klamman 10a för att alstra den önskade tryckbelastningen. Polypropylen kan användas i lagerna 18-18. 10 15 20 25 30 35 456 202 10 Efterföljande exempel' är avsedda att illustrera elektrod- apparat, batteri och sätt enligt föreliggande uppfinning och får ej tolkas i begränsande syfte med avseende på uppfinningens skyddsomfång.As illustrated in Fig. 3, in the manufacture of a spiral cell (battery), the elasticity of two separation layers 18-18, one between the anode 14 and the cathode 16 and the other on the outside, is used to provide a radial compressive load on the intended electrode, i.e. either the anode 14 or the cathode 16, by winding the bearings tightly in a loop around a conductor. The compressive stress on the separation layers is maintained by means of the C-clamp 10a to generate the desired compressive load. Polypropylene can be used in layers 18-18. The following examples are intended to illustrate the electrode apparatus, battery and method of the present invention and are not to be construed as limiting the scope of the invention.
Exempel 1 En elektrolytisk cell framstäfldesmellan två plana, stela tryckplåtar. Katoden bestod av ett ytbehandlat molybdenitpulver, som fördelades jämnt på ett substrat av aluminiumfolie, så som beskrives i US 4 251 606. Katoden åstadkommer en jämn strömtät- het hos cellen. Molybdenitpulvret fördelades med 10 mg/cmz på aluminumfolien. Katodens area var 5,6 cmz. Anoden utgjordes av ett ark av litiumfolie med motsvarande dimensioner och med en tjocklek av omkring 125 mikroner och skiktades mellan-två kato- der medelst mikroporösa separeringsorganav polypropylen (Celgard 2500 som kan erhållas från Celanese Corporation). Elektrolyten utgjordes av 1 M LiAsF6 i propylenkarbonat. Propylenkarbonatet utsattes först för en rening till en total föroreningsgrad av mindre än ca 100 ppm. Katoden och separeringsorganen mättades först med elektrolyt.Example 1 An electrolytic cell is produced between two flat, rigid pressure plates. The cathode consisted of a surface-treated molybdenite powder, which was evenly distributed on an aluminum foil substrate, as described in US 4,251,606. The cathode provides an even current density of the cell. The molybdenite powder was distributed at 10 mg / cm 2 on the aluminum foil. The area of the cathode was 5.6 cm 2. The anode consisted of a sheet of lithium foil of corresponding dimensions and having a thickness of about 125 microns and was layered between two cathodes by means of microporous separating means of polypropylene (Celgard 2500 available from Celanese Corporation). The electrolyte consisted of 1 M LiAsF6 in propylene carbonate. The propylene carbonate was first subjected to a purification to a total degree of contamination of less than about 100 ppm. The cathode and separators were first saturated with electrolyte.
Cellen hopmonterades mellan tryckplåtar, varvid cellen medelst plåtarna utsattes_för ett tryck av 1,9 kp/cmz (27 psi).The cell was assembled between printing plates, the cell being subjected to a pressure of 1.9 kp / cm 2 (27 psi) by means of the plates.
Den kompletta cellen inneslöts i en hermetiskt tillsluten be- hållare fylld med argongas. En glas/metalltätning användes för strömgenomföringen för den elektrolytiska cellens negativa an- slutning. Cellen var sammansatt för att omvandla det katodak- tiva materialet till “Fas II" LixMoS2, såsom beskrives i US 4 224 390. Åtgärder hade vidtagits för att säkerställa att elektrolyten ej försämrades under omvandlingsprocessen. Pro- cesscykeln för cellen (laddning och urladdning) genomfördes upprepade gånger vid en ström av 2 mA såväl vid uppladdning som urladdning och mellan en nedre spänningsgräns av 1,3 volt vid urladdning och en övre gräns av 2,6 volt vid uppladdning. Upp- repningen av processcyklerna fullföljdes till dess laddnings- kapaciteten vid urladdning sjönk till 50% av den laddningskapa- citet som uppmätts vid slutet av den tionde cykeln. Den totala 10 15 20 25 30 35 ,, 456 202 uppladdningsmängden som erhölls från cellen vid urladdning integ- rerad över samtliga cykler beräknas till 210 mAH. Beräknat ge- nom att ta förhållandet av denna laddningsmängd jämfört med den teoretiskt förväntade laddningsmängden om hela hade urladdats i en processcykel, var antalet omsättningsförlopp (T) för litium- anoden lika med tre.The complete cell was enclosed in a hermetically sealed container filled with argon gas. A glass / metal seal was used for the current lead-through for the negative connection of the electrolytic cell. The cell was assembled to convert the cathodic material to "Phase II" LixMoS2, as described in US 4,224,390. Measures had been taken to ensure that the electrolyte did not deteriorate during the conversion process. repeatedly at a current of 2 mA both for charging and discharging and between a lower voltage limit of 1.3 volts for discharging and an upper limit of 2.6 volts for charging. decreased to 50% of the charging capacity measured at the end of the tenth cycle. - by taking the ratio of this charge amount compared to the theoretically expected amount of charge if the whole had been discharged in a process cycle, the number of turnover ratios was opp (T) for the lithium anode equal to three.
Exempel 2 En elektrolytisk cell uppbyggd pâ samma sätt som den i exempel 1 i alla avseenden förutom att elektroderna utsattes för ett tryck av 3,5 kp/cmz (50 psi), bringades genomgå processcyk- 'ler under förhållanden som var identiska med de i Fig 1 beskriv- na. Antalet omsättningsförlopp (T) för litiumanoden i denna andra Cell Var lika med åtta.Example 2 An electrolytic cell constructed in the same manner as that of Example 1 in all respects except that the electrodes were subjected to a pressure of 3.5 kp / cm 2 (50 psi), was subjected to process cycles under conditions identical to those of Fig. 1 described. The number of conversion cycles (T) for the lithium anode in this second Cell was equal to eight.
Exempel 3 En elektrolytisk cell av samma utförande som den i exempel 1 i alla avseendenförutom att elektroderna utsattes för ett tryck av 7 kp/cmz (100 psi), bringades genomgå processcykler under förhållanden som var identiska med de som beskrivits i exempel 1. Antalet omsättningsförlopp (T) för litiumanoden i denna tredje cell var lika med nio.Example 3 An electrolytic cell of the same design as that of Example 1 in all respects except that the electrodes were subjected to a pressure of 7 kp / cm 2 (100 psi) was subjected to process cycles under conditions identical to those described in Example 1. The number of reactions (T) for the lithium anode in this third cell was equal to nine.
Exempel 4 En elektrolytisk cell som i alla detaljer var likadan som cellen enligt exempel 1 med undantag av att elektroderna utsat- tes för ett tryck av 12 kp/cmz (170 psi), bringades genomgå processcykler under förhållanden som var identiska med de som beskrivits i exempel 1. Antalet omsättningsförlopp (T) för litiumanoden i denna fjärde cell var lika med elva.Example 4 An electrolytic cell which was identical in all details to the cell of Example 1 except that the electrodes were subjected to a pressure of 12 kp / cm 2 (170 psi) was subjected to process cycles under conditions identical to those described in Example 1. Example 1. The number of conversion cycles (T) of the lithium anode in this fourth cell was equal to eleven.
Exempel 5 En elektrolytisk cell som i alla avseenden var lika med cellen enligt exempel 4 med undantag av att den använda stöd- elektrolyten utgjordes av 0,5 M LiCl04 i stället för 1 M LiAsF6, konstruerades och testades under samma betingelser som de som anges i exempel 3. Antalet omsättningsförlopp (T) var lika med sju. Q Exempel 5 visar att anbringningen av tryck spelade en at- 12 456 202 minstone Iika betydande roïl för att bestämma antaïet omsätt- ningsförïopp som vaïet av eïektroïyt 1 ceïïen. Fastän anta1et omsättningsförïopp varierar med va1et av eïektroïyt, är antaïet omsättningsförïopp som kan uppnås genom att anbringa tryck på ceHen aHtid större än antaïet omsättningsförïopp som kan upp- näs då ceHen arbetar fristående. få m!Example 5 An electrolytic cell which was similar in all respects to the cell of Example 4 except that the support electrolyte used consisted of 0.5 M LiClO 4 instead of 1 M LiAsF 6, was constructed and tested under the same conditions as those set forth in Example 3. The number of sales processes (T) was equal to seven. Example 5 shows that the application of pressure played an at least as significant role in determining the number of conversion processes as the electrolyte in the cell. Although the number of turnover rates varies with the choice of electrolyte, the number of turnover rates that can be achieved by applying pressure to the cell is always greater than the number of turnover rates that can be achieved when the cell operates independently. få m!
Claims (10)
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US29260681A | 1981-08-13 | 1981-08-13 | |
US40328682A | 1982-07-29 | 1982-07-29 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
SE8204620D0 SE8204620D0 (en) | 1982-08-09 |
SE8204620L SE8204620L (en) | 1983-02-14 |
SE456202B true SE456202B (en) | 1988-09-12 |
Family
ID=26967450
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SE8204620A SE456202B (en) | 1981-08-13 | 1982-08-09 | REVERSIBLE BATTERY CELL WITH PRESSURE LOADED LITHIUM ANOD |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
CA (1) | CA1190279A (en) |
DE (1) | DE3230249A1 (en) |
GB (1) | GB2105512B (en) |
IT (1) | IT8222796A0 (en) |
SE (1) | SE456202B (en) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4587182A (en) * | 1984-12-11 | 1986-05-06 | Moli Energy Limited | Constant volume lithium battery cell and process |
US5264201A (en) | 1990-07-23 | 1993-11-23 | Her Majesty The Queen In Right Of The Province Of British Columbia | Lithiated nickel dioxide and secondary cells prepared therefrom |
EP1071151A1 (en) * | 1999-07-23 | 2001-01-24 | Nec Corporation | Method for producing film packed battery |
DE102014213693A1 (en) | 2014-07-15 | 2016-01-21 | Robert Bosch Gmbh | Galvanic cell and method for producing a galvanic cell |
JPWO2023054411A1 (en) | 2021-09-30 | 2023-04-06 | ||
JP2024111475A (en) * | 2023-02-06 | 2024-08-19 | プライムプラネットエナジー&ソリューションズ株式会社 | Electricity storage device and method for manufacturing the same |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3897266A (en) * | 1970-08-03 | 1975-07-29 | Gates Rubber Co | Alkaline battery cell |
FR2434491A1 (en) * | 1978-08-21 | 1980-03-21 | Haering Rudolph | LITHIUM AND MOLYBDENE BISULPHITE BATTERY CATHODE |
-
1982
- 1982-08-09 SE SE8204620A patent/SE456202B/en not_active IP Right Cessation
- 1982-08-10 GB GB08222956A patent/GB2105512B/en not_active Expired
- 1982-08-10 IT IT8222796A patent/IT8222796A0/en unknown
- 1982-08-12 CA CA000409331A patent/CA1190279A/en not_active Expired
- 1982-08-13 DE DE19823230249 patent/DE3230249A1/en active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CA1190279A (en) | 1985-07-09 |
SE8204620D0 (en) | 1982-08-09 |
GB2105512B (en) | 1985-04-11 |
SE8204620L (en) | 1983-02-14 |
GB2105512A (en) | 1983-03-23 |
DE3230249A1 (en) | 1983-03-03 |
IT8222796A0 (en) | 1982-08-10 |
DE3230249C2 (en) | 1990-12-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5114804A (en) | Battery and method of making the battery | |
Nathan et al. | Three-dimensional thin-film Li-ion microbatteries for autonomous MEMS | |
US7166384B2 (en) | Microscopic batteries for MEMS systems | |
US6537701B1 (en) | Coated lithium electrodes | |
EP0140693B1 (en) | Electrodes made with disordered active material and methods of making the same | |
WO2020072524A1 (en) | Methods of making and using an electrochemical cell comprising an interlayer | |
US20020182508A1 (en) | Coated lithium electrodes | |
CN113299967A (en) | Longitudinal restraint for energy storage devices | |
JPH0550815B2 (en) | ||
EP3295508A2 (en) | Replenished negative electrodes for secondary batteries | |
EP0185438B1 (en) | Constant volume lithium battery cell and process | |
JPH0437553B2 (en) | ||
CN114242989B (en) | Composite electrode material and preparation method and application thereof | |
SE456202B (en) | REVERSIBLE BATTERY CELL WITH PRESSURE LOADED LITHIUM ANOD | |
JP4996053B2 (en) | Method for producing coated expanded metal and use of the metal as a conductor in an electrochemical device | |
US4683648A (en) | Lead-titanium, bipolar electrode in a lead-acid battery | |
US11283112B2 (en) | Method for manipulating an energy storage device | |
WO1986003343A1 (en) | Laminated lead alloy strip for battery grid application and electrochemical cells utilizing same | |
US10897041B2 (en) | Electrode, electrochemical energy accumulator with an electrode, and method for producing an electrode | |
JPWO2022046327A5 (en) | ||
US4965145A (en) | Electrical storage cell resistant to freezing | |
IE46174B1 (en) | Electrodes for lead storage battery and cells and batteries containing them | |
JPWO2022046328A5 (en) | ||
KR20220150539A (en) | Anode-free all solid state battery comprising solid electrolyte having high ion conductivity and surface-roughened anode current collector | |
CN118040067A (en) | Electrochemical prelithiation method using battery tester and perforated pole piece |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
NUG | Patent has lapsed |
Ref document number: 8204620-2 Effective date: 19940310 Format of ref document f/p: F |